Rätselhafter Sternenstaub im frühen Universum

Staub spielt im Universum eine entscheidende Rolle, denn er ist der Rohstoff, aus dem laufend Sterne und Planeten entstehen. Die festen Partikel können sich jedoch nur bilden, wenn schwere Elemente, vor allem Kohlenstoff, vorliegen. Nach der derzeitig angenommenen Kosmologie sind im Urknall nur die leichten, flüchtigen Elemente Wasserstoff und Helium sowie in geringen Mengen Lithium und Beryllium entstanden. Alle schwereren Stoffe wurden erst im Innern der Sterne bei Kernfusionsreaktionen gebildet. Sie wurden später bei Supernova-Explosionen oder mit Sternwinden in den interstellaren Raum getragen.

Erst nachdem das interstellare Medium auf diese Weise mit schweren Elementen angereichert war, konnte sich auch Staub bilden, und erst jetzt waren auch die Voraussetzungen für Planetenbildung gegeben. Wie Beobachtungen aus den letzten beiden Jahren belegen, gab es spätestens 700 Millionen Jahre nach dem Urknall große Mengen Staub. So fand man etwa hundert Millionen Sonnenmassen Staub in den am weitesten entfernten bekannten Quasaren. Wie waren diese gewaltigen Staubmengen in so kurzer Zeit entstanden?

Als frühe Staubquellen kamen Supernova-Explosionen in Frage. Die Sterne der ersten Generation bestanden nur aus Wasserstoff und Helium und waren deshalb im Mittel wesentlich massereicher als heutige Sterne. Massereiche Sterne explodieren als Supernovae, und in ihren Explosionshüllen könnte sich, so die Vermutung, Staub bilden. Doch sind Supernovae wirklich ergiebige Staublieferanten? Bislang galten Supernova-Überreste als staubarm, da sich in ihnen im kurzwelligen Infrarotbereich nur wenig warmer Staub nachweisen ließ. Mit einer Beobachtung im Jahr 2003 schien sich das zu ändern.

Ein britisches Team hatte Cas A im Submillimeterbereich untersucht und starke Emission im Bereich des Supernova-Überrests gefunden. Diese sollte von kühlem Staub mit der erstaunlich großen Masse von drei Sonnenmassen stammen, was einem großen Teil der Gesamtmasse des kollabierenden Vorgängersterns entsprechen würde. Das Fazit war: Anscheinend produzierten Supernovae vom Typ II, zu denen die Supernova in Cas A gehört, tatsächlich genügend viel Staub, um damit die Anreicherung im frühen Universum zu erklären.

Doch schon ein Jahr später wurde diese Schlussfolgerung widerlegt. Astronomen des MPIA vermuteten, dass es den Staub zwar gibt, dass dieser jedoch weit vor Cas A liegt und mit dem Objekt nichts zu tun hat. Es ist seit langem bekannt, dass Cas A etwa 11000 Lichtjahre entfernt jenseits des staubreichen Perseus-Spiralarms steht. Vermutlich waren vorgelagerte Staubwolken auch dafür verantwortlich, dass um 1680 kein irdischer Astronom die Supernova-Explosion beobachtete. Cas A steht nämlich der Erde so nahe, dass die Supernova für einige Zeit als der hellste Stern am ganzen Himmel hätte erscheinen müssen. Dichte Staubwolken im Perseus-Arm verhinderten dies aber. Es lag daher nahe, dass die neu entdeckte Emission im Submillimeterbereich von jenem vorgelagerten Staub stammt, und nicht von Cas A selbst.

Um diese Hypothese zu überprüfen, werteten die Astronomen des Instituts zunächst Infrarotdaten aus, die sie im Archiv des Infrarotsatelliten ISO fanden. Mit ISO war das Gebiet um Cas A im Rahmen der so genannten Zufallsdurchmusterung im fernen Infraroten bei einer Wellenlänge um 170 µm beobachtet worden (Abb. 1). In diesem Bereich emittiert sehr kalter Staub mit Temperaturen zwischen 10 und 20 Kelvin, entsprechend –250 bis –260 °C. Auf der ISO-Karte zeigten sich drei Emissionsgebiete, die in ihrer Lage und Ausdehnung sehr genau mit der im Submillimeterbereich gefundenen Emission übereinstimmten. Der hierfür verantwortliche Staub hat eine Temperatur von 14 K, ein typischer Wert für Dunkelwolken.

Interessanterweise hatte man schon früher aus dem Gebiet dieser Staubwolke molekulares Gas nachgewiesen (Abb. 2). Da dieses Gas in Absorption gegen die helle Radiostrahlung von Cas A detektiert wurde, muss es sich zwischen der Erde und dem Supernova-Überrest befinden. Aufgrund seiner gemessenen Kinematik kann es dem Perseus-Arm zugerechnet werden. Aus der Säulendichte des OH-Moleküls und des Submillimeterflusses ergab sich auch eine gute Korrelation von Gas und Staub. Fazit: Das gefundene Verhältnis von Gas zu Staub ist typisch für unsere galaktische Umgebung (Abb. 3).

Aus dem quantitativen Vergleich der Verteilung dieses Gases mit der Staubemission ergibt sich, dass der in den interstellaren Wolken vorhandene Staub praktisch für die gesamte Strahlung im Infrarot- und Submillimeterbereich verantwortlich ist. In diese Analyse wurden neue Beobachtungen von Cas A mit dem weltraumgestützten Infrarotteleskop SPITZER einbezogen. Dafür nutzten die Astronomen des Instituts gemeinsam mit Kollegen vom Steward Observatory in Tucson, Arizona, und dem Space Science Institute in Boulder, Colorado, das abbildende Photometer bei 160 µm Wellenlänge. Tatsächlich erstrecken sich die im Infraroten nachgewiesen Staubwolken sogar weit über die Grenzen des Supernova-Überrest hinaus. Es gibt also keine wesentlichen Mengen Staubes, die mit dem Supernova-Überrest Cas A assoziiert sind (Abb. 4).

Damit ist die Frage nach den ersten Staubquellen im Kosmos wieder offen. Sie ist eng verknüpft mit der Suche nach der ersten Sterngeneration, von der bislang noch keine Anzeichen gefunden wurden. Die Suche nach ihr gehört mit zu den vordringlichen Aufgaben der Astrophysik. Zukünftige Weltraumteleskope, wie HERSCHEL (benannt nach Sir William Herschel, 1738-1822) oder PLANCK (benannt nach Max Planck, 1858-1947), sollen hier neue Aufschlüsse erbringen. Das MPIA ist als eines der 14 Institute am Bau von PACS (Photoconductor Array Camera and Spectrometer) beteiligt, PACS ist eines der drei Instrumente an Bord von HERSCHEL.